丁 杰，尹 亮

(湖南文理學(xué)院 機械工程學(xué)院，常德 415000)

0 引 言

永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、損耗低和效率高等優(yōu)點，已在城軌車輛中得到應(yīng)用[1]。永磁電機在運行過程中存在因定子內(nèi)表面電磁力、轉(zhuǎn)子偏心及電流諧波等因素導(dǎo)致的電磁噪聲，因葉片旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的氣動噪聲，以及因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動不平衡、軸承等因素造成的機械噪聲[2]。噪聲會對人體的神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和聽覺系統(tǒng)等產(chǎn)生一定的影響，因此，永磁電機的噪聲問題得到了人們的高度關(guān)注。

國內(nèi)外學(xué)者從理論分析、仿真計算和實驗測試等方面對電機噪聲開展了大量研究。Gieras J F等[3]針對多相電機的噪聲問題進行了系統(tǒng)研究。李曉華等[4-5]通過分析電磁力波特征參數(shù)和諧波來源，查找出電動汽車內(nèi)置式永磁同步電機的主要振動噪聲源，建立逆變器電流-電磁場-結(jié)構(gòu)場的聯(lián)合仿真模型，探討了不同工況電流諧波對電機振動噪聲特性的影響。付敏等[6]應(yīng)用有限元法和傅里葉分解，得出電機的振動噪聲問題主要由階次力波及諧波分量引起。王曉遠等[7]通過對電動汽車永磁同步電機進行的電磁場、模態(tài)、振動響應(yīng)和電磁噪聲仿真分析，提出了一種降噪效果較明顯的轉(zhuǎn)子優(yōu)化結(jié)構(gòu)。Tsoumas I P等[8]指出，逆變器輸出電流受脈寬調(diào)制的影響，包含開關(guān)頻率的倍頻及其邊頻帶的諧波，由此導(dǎo)致的電機窄帶噪聲會使人感到不適。Kurihara N等[9]提出了減小諧波降低電機噪聲的方法。馮勤龍等[10]通過定子鐵心的模態(tài)分析，確定某乘用車驅(qū)動電機徑向電磁力是產(chǎn)生低速嘯叫問題的主要原因。

本文針對某城軌車輛永磁電機開展不同工況的振動噪聲測試及特性分析，獲得永磁電機氣動噪聲、電磁噪聲隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律以及永磁電機噪聲與振動的關(guān)系，為提高永磁電機的噪聲水平提供指導(dǎo)。

1 永磁電機的電磁力波理論分析

采用逆變器驅(qū)動的永磁電機，其定子電流是包含諧波的非正弦電流，用傅里葉級數(shù)表示：

(1)

式中:n為時間諧波次數(shù)，n=2m1k±1，m1為相數(shù)，k=0,1,2,3,…；I1mn為n次諧波電流峰值；ωn為n次時間諧波電流的角頻率；φi為n次時間諧波電流的相位角。

n次時間諧波引起的定子、轉(zhuǎn)子磁通密度空間-時間變化關(guān)系：

(2)

(3)

式中:ν和μ分別為定子和轉(zhuǎn)子空間諧波次數(shù)；Bmνn和Bmμn分別為定子和轉(zhuǎn)子磁通密度諧波幅值；p為電機極對數(shù)；α為距離坐標系原點的角度；ωn=2πnf為定子繞組時間諧波電流角頻率，f為基波頻率；ωμ,n為n次時間諧波對應(yīng)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)μ次空間諧波角頻率；φμ,n為n次時間諧波對應(yīng)定子、轉(zhuǎn)子空間諧波向量之間的角度差。

由麥克斯韋應(yīng)力張量，可得定子、轉(zhuǎn)子的同次諧波電磁徑向力：

(4)

(5)

式中:μ0為自由空間的磁導(dǎo)率。

定子、轉(zhuǎn)子諧波相互作用的電磁徑向力：

(ωn-ωμ,n)t-φμ,n]+cos[(ν+μ)pα?

(ωn+ωμ,n)t+φμ,n]}

(6)

逆變器的開關(guān)頻率與高次時間諧波相互作用，將產(chǎn)生較大的電磁力。轉(zhuǎn)子偏心會導(dǎo)致電機氣隙脈動，從而引起磁通密度波動，產(chǎn)生單側(cè)磁拉力。

2 永磁電機的測點布置及測試工況

某城軌車輛風冷永磁電機的額定功率為190 kW、極對數(shù)為4、轉(zhuǎn)速范圍為0～3 000 r/min、額定轉(zhuǎn)速為1 900 r/min。城軌車輛上線運行后，現(xiàn)場反饋永磁電機的噪聲過大，可聽到明顯的電磁嘯叫聲。為獲得永磁電機的噪聲特性，利用B&K振動噪聲測試系統(tǒng)在半消室開展永磁電機的噪聲與振動測試。

噪聲測試采用五點法，測點1～測點5分別布置在永磁電機的傳動軸端(出風口)、右側(cè)、后端(進風口)、左側(cè)和頂部，距離被測表面1 m處，分析頻率取25.6 kHz。振動測試采用7個三向加速度傳感器，分別布置在永磁電機的軸承座、傳動軸端上部、后端上部、右側(cè)面上部、左側(cè)面上部、右側(cè)面下部和左側(cè)面下部，全程檢測各測試工況下的電機振動狀態(tài)。其中，振動測點的縱向、垂向和橫向分別定義為平行于電機軸、垂直于地面和垂直于電機軸且平行于地面。測試現(xiàn)場及噪聲測點布置如圖1所示。

圖1 測試現(xiàn)場及噪聲測點布置

永磁電機的測試工況有4種。測試工況1：順時針轉(zhuǎn)向，每級間隔200 r/min，逐級加速至3 000 r/min；測試工況2：逆時針轉(zhuǎn)向，每級間隔200 r/min，逐級加速至3 000 r/min；測試工況3：順時針轉(zhuǎn)向，連續(xù)加速至3 000 r/min后斷電減速；測試工況4：逆時針轉(zhuǎn)向，連續(xù)加速至3 000 r/min后斷電減速。

3 永磁電機的噪聲特性分析

3.1 不同測試工況的噪聲值對比

為分析轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速對永磁電機噪聲值的影響，圖2為測試工況3和測試工況4的各測點噪聲值對比?？梢钥闯觯?1)順時針和逆時針轉(zhuǎn)向?qū)τ来烹姍C噪聲的影響很小，這與永磁電機通風散熱用的葉片為平直結(jié)構(gòu)有關(guān)；(2)對比連續(xù)加速與斷電減速工況下的噪聲值，2 000 r/min以上時兩者差異較小，2 000 r/min以下時兩者差異較大，1 000 r/min時兩者差值約為10 dB(A)；(3)額定轉(zhuǎn)速1 900 r/min時的噪聲值約為80.3 dB(A)，3 000 r/min時的噪聲值為91.3 dB(A)。

圖2 不同測試工況的噪聲值對比

3.2 不同轉(zhuǎn)速的噪聲值對比

圖3為順時針轉(zhuǎn)向逐級加速過程測點1在200 r/min、1 000 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min等不同轉(zhuǎn)速下的噪聲頻譜和1/3倍頻程對比?？梢钥闯觯?1)永磁電機通電會產(chǎn)生電磁噪聲，轉(zhuǎn)速范圍0～900 r/min的電磁噪聲較小，轉(zhuǎn)速范圍900～1 200 r/min的電磁噪聲急劇增大，主要噪聲中心頻率為4 000 Hz，轉(zhuǎn)速范圍1 200～3 000 r/min的電磁噪聲先降低后穩(wěn)定，電磁噪聲頻率單一，體現(xiàn)為尖銳的叫聲，是影響人主觀感受的主要因素；(2)轉(zhuǎn)速1 000 r/min時的電磁頻譜峰值突出，1 500 r/min以上時的氣動噪聲增加較快，2 000 r/min以上時主要為氣動噪聲，主要噪聲中心頻率為1 250 Hz，電磁噪聲不再突出；(3)永磁電機的軸上帶有13個葉片，轉(zhuǎn)速1 000 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min的葉片通過頻率分別為217 Hz、433 Hz和650 Hz，這些特征頻率在圖3(a)的頻譜曲線中均有體現(xiàn)。

圖3 測點1不同轉(zhuǎn)速時的噪聲頻譜對比

圖4為順時針轉(zhuǎn)向斷電減速過程測點1的聲壓級時間-頻率色譜圖。隨著時間的增加，永磁電機的轉(zhuǎn)速在不斷降低，不同頻率點的聲壓級也在下降。由聲壓級時頻色譜圖可以看出，永磁電機在斷電減速過程中，不再有電磁力的作用，永磁電機的噪聲表現(xiàn)出以氣動噪聲為主，噪聲值大小隨轉(zhuǎn)速逐漸降低，主要中心頻率為1 250 Hz。

圖4 斷電減速過程測點1的聲壓級時頻色譜圖

3.3 永磁電機法蘭對噪聲的影響

圖5為順時針轉(zhuǎn)向逐級加速時，測點1和測點3在不同轉(zhuǎn)速下的噪聲值對比。測點1和測點3分別對應(yīng)永磁電機的出風口和進風口，由圖5可以看出，不同轉(zhuǎn)速下，進風口噪聲高于出風口噪聲1.1～5.9 dB(A)，其中，1 400 r/min、1 600 r/min和1 800 r/min等轉(zhuǎn)速的進出風口噪聲差值分別為5.9 dB(A)、4.7 dB(A)和3.6 dB(A)。進出風口噪聲差值較大的原因主要是永磁電機法蘭的阻礙作用造成的。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下測點1和測點3的聲壓級對比

現(xiàn)場測試也發(fā)現(xiàn)，永磁電機法蘭端正前方出風口(測點1)的噪聲值受法蘭阻擋影響，噪聲值比附近區(qū)域偏小。為進一步分析法蘭對噪聲的影響，測試時在測點1旁邊45°角、距離1 m布置測點6，(如圖6所示)。通過對比分析可知，1 800 r/min、2 400 r/min和3 000 r/min等轉(zhuǎn)速下測點6的噪聲值分別為80.7 dB(A)、87.9 dB(A)和93.3 dB(A)，超出測點1噪聲值2.8 dB(A)、3.3 dB(A)和3.5 dB(A)，表現(xiàn)出噪聲差值隨轉(zhuǎn)速增大而增大的趨勢。

圖6 出風口及出風口45°角的噪聲測點

圖7為轉(zhuǎn)速3 000 r/min時測點1(出風口)、測點3(進風口)和測點6(出風口45°)的噪聲1/3倍頻程?？梢钥闯觯瑴y點6的噪聲值比測點1大3 dB(A)左右，當永磁電機轉(zhuǎn)速高于2 000 r/min后，測點6的噪聲值大于測點3，且以氣動噪聲為主，中心頻率為1 250 Hz。結(jié)合噪聲測試標準，應(yīng)將電機法蘭卸下，建議以出風口45°噪聲值替代出風口噪聲值。

圖7 轉(zhuǎn)速3 000 r/min時進出風口噪聲1/3倍頻程

4 永磁電機噪聲與振動的關(guān)系

4.1 不同測試工況的振動特性

為了分析永磁電機噪聲與振動的關(guān)系，圖8給出永磁電機通電加速和斷電減速過程中振動測點1的垂向加速度時頻色譜圖，其他測點及不同振動方向的結(jié)果未列出。由圖8(a)可以看出，隨著時間的增加，永磁電機的振動在增大，主要包括階次振動和電磁振動，56階和104階這兩個明顯的階次信號與永磁電機轉(zhuǎn)速相關(guān)，電磁振動表現(xiàn)為開關(guān)頻率倍頻(2 000 Hz和4 000 Hz)的諧波成分，還包括120 Hz和1 067 Hz等特征頻率。由圖8(b)可以看出，隨著時間的增加，永磁電機的振動在減小，主要包括階次振動，56階和104階這兩個階次信號明顯，還包括1 067 Hz和3 500 Hz附近的特征頻率。

圖8 通電和斷電過程的永磁電機軸承座垂向振動對比

圖9為振動測點1在通電加速和斷電減速工況不同轉(zhuǎn)速下各方向的振動加速度有效值對比。分別對比各方向在通電加速和斷電減速的加速度有效值差值大小，可知：(1)轉(zhuǎn)速高于1 800 r/min時，永磁電機軸承座的縱向振動開始明顯增大，高于垂向和橫向的振動；(2)通電加速和斷電減速工況下，縱向振動的加速度差值在轉(zhuǎn)速1 200 r/min最大，垂向振動的加速度差值也在轉(zhuǎn)速1 200 r/min最大，而橫向振動的加速度差值在轉(zhuǎn)速1 400 r/min最大；(3)轉(zhuǎn)速范圍0～1 800 r/min時，電磁振動是永磁電機振動的主要組成部分；轉(zhuǎn)速范圍1 800～3 000 r/min時，主要來源為電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的振動。

圖9 振動測點1的加速度有效值對比

4.2 永磁電機的1階振動

圖10是將圖8的時頻色譜圖橫坐標頻率范圍調(diào)整為0～200 Hz。由圖10可知，永磁電機存在1階振動，在電機高轉(zhuǎn)速時相對明顯。電機1階振動主要反映因電機裝配誤差造成的軸承動、靜平衡問題引起的振動。因此，應(yīng)密切關(guān)注永磁電機在長期使用后可能出現(xiàn)的1階振動過大現(xiàn)象。

圖10 永磁電機的1階振動

5 結(jié) 論

通過對某城軌車輛永磁電機開展振動噪聲測試及特性分析，得到以下結(jié)論：

(1)順時針、逆時針轉(zhuǎn)動對永磁電機噪聲影響非常小，額定轉(zhuǎn)速1 900 r/min的噪聲值約為80.3 dB(A)，3 000 r/min時的噪聲值為91.3 dB(A)；

(2)永磁電機斷電減速過程以氣動噪聲為主，噪聲大小隨轉(zhuǎn)速逐漸降低，主要噪聲中心頻率為1 250 Hz；

(3)永磁電機通電加速過程產(chǎn)生電磁噪聲，轉(zhuǎn)速范圍0～900 r/min的電磁噪聲較小，轉(zhuǎn)速范圍900～1 200 r/min的電磁噪聲急劇增大，主要噪聲中心頻率為4 000Hz，轉(zhuǎn)速范圍1 200～3 000 r/min的電磁噪聲先降低后穩(wěn)定，2 000 r/min以上的電磁噪聲不再突出，主要以氣動噪聲為主；

(4)轉(zhuǎn)速范圍0～1 800 r/min以電磁振動為主，轉(zhuǎn)速范圍1 800～3 200 r/min主要為電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的振動，同時，電機存在因裝配誤差產(chǎn)生的1階振動。